雙法蘭差壓液位變送器與浮筒液位計的比較

劉子云

(中國神華煤制油化工有限公司北京工程分公司,北京 100011)

在煉油、石油化工、煤化工及煤制油等工業領域，液位是重要的工藝參數之一。測量液位的儀表種類繁多，如伺服液位計、差壓式液位變送器、超聲波液位計、雷達液位計、鋼帶液位計及浮筒液位計等[1]，需依據工藝的實際工況，選用不同類型的液位計。較為常用的液位測量儀表是雙法蘭差壓液位變送器和浮筒液位計，筆者將從雙法蘭差壓液位變送器與浮筒液位計的測量原理、維護調校方法、測量精度、穩定性及零點與量程的計算方法等方面對二者進行比較。

1 問題的提出①

一般來說，在工程項目的《儀表專業工程統一規定》或裝置的《儀表說明書》中，液位儀表的選型原則是：對于測量范圍在2 000mm以內、比重為0.5～1.5的液體液面測量，與測量范圍在1 200mm以內、比重差為0.5～1.5的液體界面測量，優先選用外浮筒液位計。筆者對雙法蘭差壓液位變送器進行分析研究后認為此原則定值得商榷。實踐表明：利用雙法蘭差壓液位變送器不僅可以在大的測量范圍內準確地測量液位，在小測量范圍內也同樣可以準確測量。因此，在液位測量與界面測量中，只要利用就地液位計或其他手段能獲得在一定測量范圍內被測容器的真實液位，原則上可以用雙法蘭差壓液位變送器來替代浮筒液位計。

2 雙法蘭差壓液位變送器

2.1 測量原理

雙法蘭差壓液位變送器的安裝方式如圖1所示，其中LT為測量容器V的液位的雙法蘭差壓變送器，LG為與被測容器相連接的就地液位計。就地液位計LG通常是玻璃板(管)液位計，采用連通器原理，在保溫完好的情況下，可以直接觀察現場被測容器的實際液位。

圖1 雙法蘭差壓液位變送器安裝示意圖

由液柱壓強公式P=ρgh可得：

Δp=p+-p-=ρ1gH1+ρgh+ρ3g(H3-h)-ρ2gH2+ΔZ

=ρgh+ρ3g(H3-h)-ρ2gH3+ΔZ

(1)

式中g——重力加速度，9.80m/s2；

H1——雙法蘭差壓液位變送器到被測容器正取壓點的高度，m；

H2——雙法蘭差壓液位變送器到被測容器負取壓點的高度，m；

H3——被測容器正、負取壓點之間的高度(H3=H2-H1)，m；

Δp——雙法蘭差壓液位變送器正、負壓室之間的壓差，kPa；

ΔZ——雙法蘭差壓液位變送器產生的零點漂移；

ρ——在設計溫度和壓力下，被測容器內介質的密度，kg/m3；

ρ1——雙法差壓液位變送器正取壓毛細管硅油密度，kg/m3；

ρ2——雙法差壓液位變送器負取壓毛細管硅油密度(通常情況下與ρ1的值相等)，kg/m3；

ρ3——在設計溫度和壓力下，被測容器內液體上部氣體介質的密度，kg/m3。

零點漂移ΔZ具體包括：由雙法蘭膜片接觸不同的介質(被測容器內液體與液體上部的氣體)所產生的溫度差造成的雙法蘭差壓液位變送器零點漂移；由于環境溫度對毛細管內硅油的影響所引起的雙法蘭差壓液位變送器零點漂移[2]；由于安裝引起的雙法蘭差壓液位變送器零點漂移；其他原因引起的雙法蘭差壓液位變送器零點漂移。

從式(1)可以看出，雙法蘭差壓液位變送器正、負壓室間的差壓Δp是隨著被測容器內介質高度h變化而變化的，此壓差被轉換為4～20mA后輸出。

2.2 零點與量程的計算

根據式(1)，當h=0時：

Δp0=ρ3gH3-ρ2gH3+ΔZ

(2)

當h=H3時：

Δp100=ρgH3-ρ2gH3+ΔZ

(3)

其中，Δp0和Δp100分別為雙法蘭差壓液位變送器的零點和量程。

式(1)是計算差壓液位變送器零點與量程的常規關系式。但在實際生產過程中，被測容器內的溫度、壓力與設計給定的溫度、壓力均有偏差，這就使得無法準確得知被測容器內的液體密度ρ，被測容器內液體上部的氣體密度ρ3和差壓液位變送器所產生的零點漂移ΔZ。由于上述原因，在實際應用中計算雙法蘭差壓液位變送器的零點時，忽略了被測容器內液體上部的氣體與變送器的零點漂移；在計算雙法蘭差壓液位變送器的量程時，將設計給定的被測容器介質密度直接代入式(3)且忽略了被測容器內液體上部的氣體與變送器的零點漂移。由此計算的差壓液位變送器零點與量程必然導致液位測量不準，因此無法按式(2)、(3)準確計算雙法蘭差壓液位變送器的零點與量程。

分析式(1)，當雙法蘭差壓液位變送器按設計要求安裝后，變送器到正、負取壓法蘭間的距離H1和H2可以用直尺準確測量，即H1和H2是定值；H3是正、負取壓法蘭之間的距離，也是一個定值；g是重力加速度。盡管在實際生產過程中很難獲取ρ與ρ3的準確值，但在相對穩定(被測容器內的溫度、壓力相對穩定)的情況下，ρ、ρ1、ρ2與ρ3的數值是相對固定的，也可以看成常數；ΔZ是由各種因素產生的變送器零點漂移，很難準確得知ΔZ的數值，但在實際生產過程相對穩定的情況下，ΔZ是一個定值。從式(1)可以看出，差壓液位變送器正、負壓室的壓差Δp與被測容器的液位h之間是線性關系，除了被測容器液位h是變量外，其余參數均可以看成常數。由此可見，差壓液位變送器正、負壓室的壓差Δp是被測容器液位h的一次函數，其表達式為：

Δp=Kh+C

(4)

其中，h為差壓液位變送器的指示液位，此值為與變送器相連接的DCS或其他儀表的顯示值，即由差壓液位變送器的輸出(4～20mA)轉換成的液位顯示值；K和C分別為Δp一次函數的斜率和截距，均為待求常數。

利用差壓液位變送器測量液位的目的就是要使差壓變送器的測量輸出值h與被測容器內的實際液位h′的值相一致，即h=h′。則式(4)可以改寫成：

Δp=K′h′+C′

(5)

對于智能差壓變送器，可以通過375或BT200等智能通信器直接讀出與實際液位相對應的Δp；h′的值可以通過安裝在被測容器上的就地液位計觀測；K′、C′分別為Δp一次函數的斜率和截距，為待求常數。

由于實際生產過程中不允許出現實際液位為最低或最高的工況，因此，不能直接觀測差壓液位變送器的零點與量程。筆者利用式(5)間接地計算出了差壓液位變送器的準確零點與量程，具體步驟如下：

a. 在生產過程相對穩定的情況下，當被測容器就地液位計指示為h1′時，利用與差壓液位變送器相連接的手操器(375或BT200等)觀測與h1′相對應的差壓液位變送器正、負壓室的壓差Δp1，即可得Δp與h′的一次函數的一個坐標點(Δp1，h1′)；

b. 一段時間后，當被測容器就地液位計指示為h2′時，觀測Δp與h′的一次函數的另一個坐標點(Δp2，h2′)，且h1′不等于h2′；

c. 確定被測容器液位與差壓液位變送器正、負壓室間的壓差關系式。

將以上兩個坐標點代入式(5)可得：

(6)

(7)

(8)

式(8)即為差壓液位變送器正、負壓室的壓差Δp與被測容器實際液位h′的一次函數，利用此式即可準確計算差壓液位變送器的零點與量程。

由式(8)可得，當h′=0時，有：

(9)

當h′=100%時，有：

(10)

其中，Δp0、Δp100分別為雙法蘭差壓液位變送器的準確零點和量程。將差壓液位變送器的零點和量程分別調整為Δp0、Δp100，則變送器的指示值與被測容器上的就地液位計指示值在整個測量范圍內完全一致。

3 浮筒液位計

3.1 測量原理

浮筒液位計是利用變浮力原理來測量液位的，其敏感元件是浮筒，根據浮筒被液體浸沒高度不同導致所受浮力的不同來檢測液位的變化，如圖2所示。

圖2 浮筒液位計工作原理示意圖

將一橫截面積為A，質量為m的圓柱形空心金屬浮筒懸掛在彈簧上，由于彈簧的下端被固定，因此彈簧因浮筒的重力被拉伸。當浮筒沒有浸沒在液體中時，浮筒的重力與彈簧的拉力達到平衡，此時有：

W=F

mg=Cx0

(11)

式中C——彈簧的剛度；

F——彈簧的拉力；

W——浮筒的重力；

x0——彈簧由于重力被拉伸所產生的位移。

此時杠桿作用在扭力管上的扭力最大，使扭力管產生最大的扭角。當液體浸沒浮筒的高度增加時，浮筒受到液體浮力的作用而向上移動，當彈簧的拉力與液體對浮筒的浮力之和與浮筒的重力平衡時，浮筒停止移動。設液位高度為H，浮筒由于向上移動實際浸沒在液體中的長度為h，浮筒移動的距離即彈簧的位移量為Δx，則有：

H=h+Δx

(12)

根據力平衡原理可得：

C(x0-Δx)+Ahρg=mg

(13)

其中，ρ為浸沒浮筒液體的密度。

綜合式(11)～(13)可得：

(14)

由式(14)可知，當液位h發生變化時，浮筒產生位移Δx，由此可見，浮筒液位計的檢測原理實質上就是將液位轉換成敏感元件的位移。當浮筒杠桿的拉力發生變化，扭力管的扭矩也發生變化，進而導致扭力管的角位移發生變化，由振蕩器、渦流差動變壓器、直流放大器和解調器組成的轉換器將扭力管輸出的角位移轉換成4～20mA電流輸出[3]，實現液位的測量。

3.2 零點與量程的計算

根據浮筒受力平衡可得：

F=mg-Ahρg

(15)

當浮筒中沒有液體(即h=0)時，浮筒杠桿的拉力與浮筒的重力平衡：

F0=mg

(16)

其中，F0為浮筒液位計的零點。

當浮筒中充滿液體(即h=H-Δx)時，浮筒杠桿的拉力與浮筒的重力和浮筒所受浮力之差相平衡，即：

F100=mg-Ahρg=mg-A(H-Δx)ρg

(17)

其中，F100為浮筒液位計的量程。

由式(16)可知，浮筒液位計的零點只與浮筒的重力有關。由式(17)可知，浮筒液位計的量程不僅與浮筒的重力有關，還與被測容器內的液體密度及彈簧的位移等有關。

4 雙法蘭差壓液位變送器與浮筒液位計的比較

4.1 測量原理

利用雙法蘭差壓液位變送器測量液位時，被測容器內液體高度的變化引起變送器正、負壓室間的壓差變化，雙法蘭差壓液位變送器將其正、負壓室間的壓差轉換成4～20mA電流信號輸出。浮筒液位計是利用被測容器內液體高度的變化引起浮筒液位計的杠桿拉力變化，進而扭力管的扭矩發生變化，導致扭力管的角位移發生變化，由振蕩器、渦流差動變壓器、直流放大器和解調器組成的轉換器將扭力管輸出的角位移轉換成4～20mA電流輸出。

雙法蘭差壓液位變送器與浮筒液位計均可以測量液位。

4.2 零點與量程計算方法

4.2.1傳統計算方法

按照式(2)計算雙法蘭差壓液位變送器的零點，按式(3)計算其量程；按式(16)計算浮筒液位計的零點，按式(17)計算其量程。

從式(2)可以看出，按傳統方法計算的雙法蘭差壓液位變送器的零點不僅受被測容器內液體上部氣體密度的影響，同時也受變送器零點漂移的影響。在實際生產過程中，很難得知被測容器內液體上部氣體的準確密度，也很難得知變送器零點漂移的準確值，因此，按式(2)計算的雙法蘭差壓液位變送器的零點是不準確的。從式(16)可以看出，浮筒液位計的零點僅是浮筒的重力，是一個準確的數值。

由式(3)可知，按傳統方法計算的雙法蘭差壓液位變送器的量程不僅受被測容器內液體密度的影響，同時也受變送器零點漂移的影響，因此，按式(3)計算的雙法蘭差壓液位變送器的量程也是不準確的。由式(17)可知，浮筒液位計的量程僅受被測容器內液體密度的影響。

綜上所述，按傳統方法計算的雙法蘭差壓液位變送器的零點與量程比計算浮筒液位計的零點與量程的準確性要差。由于在測量取源間距較小時，浮筒液位計的重量、價格與維護成本相對較低，且浮筒液位計的測量準確性較高。因此，一般取源間距在2 000mm以下時，可選擇浮筒液位計來測量液位；當取源間距大于2 000mm時，盡管雙法蘭差壓液位變送器測量準確性低于浮筒液位計，由于取源間距(測量范圍)增大，使得浮筒液位計的重量、價格與維護成本增加，綜合考慮選擇雙法蘭差壓液位變送器測量液位。

4.2.2新計算方法

按式(9)計算雙法蘭差壓液位變送器的零點，按式(10)計算其量程；按式(16)計算浮筒液位計的零點，按式(17)計算其量程。

從式(9)可以看出，按新的方法計算的雙法蘭差壓液位變送器零點不會受到被測容器內液體上部氣體密度的影響，同時也不會受到其零點漂移的影響。在生產過程相對穩定的情況下，只要讀取的實際液位與相對應的差壓變送器正、負壓室間的壓差是準確的，則按照式(9)計算的雙法蘭差壓液位變送器的零點就是準確的。從式(16)可以看出，浮筒液位計的零點僅是浮筒的重力，是一個準確的數值。

從式(10)可以看出，按新的方法計算的雙法蘭差壓液位變送器的量程不會受到被測容器內液體上部氣體密度的影響，同時也不會受到其零點漂移的影響，也不需要知道被測容器內液體的準確密度。在生產過程相對穩定的情況下，只要讀取的實際液位與相對應的差壓變送器正、負壓室間的壓差是準確的，則按照式(10)所計算的雙法蘭差壓液位變送器的量程就是準確的。從式(17)可以看出，浮筒液位計的量程受到被測容器內液體密度的影響。因此，按照新的計算方法計算的雙法蘭差壓液位變送器的量程比浮筒液位計的量程要準確。

綜上所述，按式(9)、(10)計算的雙法蘭差壓液位變送器的零點與量程，其測量液位的準確度要高于浮筒液位計。

4.3 測量范圍

從式(9)、(10)可以看出，不論法蘭取源間距是大還是小，按照新方法計算的雙法蘭差壓液位變送器的零點與量程都不受被測容器內液體密度的影響，也不會受到被測容器內液體上部氣相介質密度的影響，同時也有效地克服了雙法蘭差壓液位變送器的零點漂移。即按照新方法計算的雙法蘭差壓液位變送器的零點與量程在測量液位時不受測量范圍的影響。

從式(17)可以看出，浮筒液位計的量程受到被測容器內液體密度的影響，且法蘭取源間距越大，浮筒液位計的量程所受到的影響也越大；此外，在相同的壓力等級條件下，法蘭取源間距越大，浮筒的重量也越大。因此，浮筒液位計的量程受限取源間距。

綜上，雙法蘭差壓液位變送器測量液位的范圍比浮筒液位計寬。

4.4 測量精度、穩定性與介質溫度

目前，主流的普通雙法蘭差壓液位變送器的測量精度可達0.065%，高精度的測量精度可達0.025%；主流的普通雙法蘭差壓液位變送器的穩定性可達±0.1%/3年(即三年不用校驗)，高穩定性的可達±0.1%/5年。若雙法蘭毛細管內填充低溫硅油，其所接觸的介質溫度范圍在-130～132℃；若填充高溫硅油，其所接觸的介質溫度范圍為20～350℃。

主流的普通浮筒液位計的測量精度為1.0%，高精度的為0.5%；普通的浮筒液位計所測介質溫度范圍為-110～400℃，特殊的所測介質溫度范圍為-196～400℃。目前主流浮筒液位計還沒有穩定性指標。

綜上，雙法蘭差壓液位變送器的測量精度高于浮筒液位計，雙法蘭差壓液位變送器的測量介質溫度適用范圍小于浮筒液位計，雙法蘭差壓液位變送器的穩定性遠高于浮筒液位計。

4.5 校驗方法

4.5.1雙法蘭差壓液位變送器

雙法蘭差壓液位變送器的校驗就是調整變送器的零點與量程，使其在允許的誤差范圍內。按式(10)、(11)計算雙法蘭差壓液位變送器的零點與量程。用0%、25%、50%、75%和100%的壓力進行校驗，當壓力穩定后記錄標準電流表上顯示的電流值并做回程誤差校驗，如果誤差超過允許誤差范圍，應重新調整校驗[4]。實際應用表明：目前主流的智能雙法蘭差壓液位變送器僅利用HART或BT200手操器就能完成變送器的校驗，其校驗結果完全能夠滿足測量精度的要求。

4.5.2浮筒液位計

浮筒液位計在生產運行過程中，其測量精度對測量結果有著較大的影響，因此，需要對其精度進行校驗和標定。浮筒液位計的校驗通常使用灌液法和掛重法[5]。

灌液法適用于浮筒安裝在現場不方便拆裝，并且對儀表的精度要求不高的情況，一般用水作為標準液體進行校驗。在校驗時根據實際測量介質的工作密度和刻度，換算為用水校驗的刻度值，即首先在外浮筒標記零點(一般是下法蘭中心線)、量程位置(灌水高度=介質比重/水比重×浮筒法蘭間距)和中間各點位置(25%、50%和75%)。一般由外筒的排空閥連接軟管至量程處，往浮筒里注水到0%、25%、50%、75%和100%，分別觀察變送器顯示是否對應每點數值，并根據顯示數值，分別調整浮筒液位計的零點與量程。對于利用比水密度大的工作液體的浮筒，不能校驗100%時的刻度。

掛重法先根據不同高度的液位計算對應的掛重(掛重=mg-πD2/4(H-Δx)ρ介)。準備好砝碼和砝碼盤，將砝碼盤掛在懸掛浮筒的位置上，根據計算的0%、25%、50%、75%和100%掛重，分別在砝碼盤中碼放砝碼，觀察并記錄浮筒液位計的輸出，并根據顯示數值分別調整浮筒液位計的零點與量程。該校驗方法需要拆卸浮筒，比較麻煩且費時、費力。

浮筒液位計的校驗不論采用灌液法還是掛重法，都會直接或間接地受到介質密度的影響，由于在實際生產過程中很難得到被測介質的準確密度，因此不論怎樣校驗浮筒液位計，其測量準確度都較差。而且通過實際應用表明：浮筒液位計的校驗比雙法蘭差壓液位變送器的校驗準確度低且費時、費力。

4.6 費用

對于類似的溫度、壓力與相近的取源間距，一般來講，主流浮筒液位計的采購價格是雙法蘭差壓液位變送器的兩倍以上。而且由于浮筒液位計的調校費時、費力，使得浮筒液位計的維護成本也高于雙法蘭差壓液位變送器。

根據上述分析，雙法蘭差壓液位變送器與浮筒液位計的綜合比較見表1。

表1 雙法蘭差壓液位變送器與浮筒液位計的綜合比較

5 結束語

從測量原理來說，雙法蘭差壓液位變送器與浮筒液位計都可以測量液位，除了雙法蘭差壓液位變送器的適用介質溫度范圍小于浮筒液位計外，其余方面，雙法蘭差壓液位變送器均優于浮筒液位計。在煉油、石油化工、煤化工及煤制油等行業的液位測量與界面測量中，只要能利用就地液位計或其他手段獲得在一定測量范圍內被測容器的實際液位，原則上可以利用雙法蘭差壓液位變送器來替代浮筒液位計。

[1] 劉子云,關力.準確計算液位差壓變送器的零點與量程的方法[J].中外能源,2006,(1):90～93.

[2] 楊德壽.DSIII型法蘭遠傳智能變送器研制開發與數控技術的應用[D].蘭州：蘭州理工大學,2005.

[3] 唐云龍.新型浮筒液位計校驗儀的設計開發[D].大連：大連理工大學,2009.

[4] 蔡根娣.雙法蘭差壓變送器的實際應用[J].高橋石化,2001,16(3):3～5.

[5] 高文清,張寶良.智能型浮筒液位計的校準方法中國[J].中國計量,2010,(11): 91～92.